化學(xué)機(jī)械研磨拋光墊專利技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r研究

唐路璐

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北 武漢 43007030070）

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略地位越來越重要，它已成為與國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)、人民生活和信息安全息息相關(guān)的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)?；瘜W(xué)機(jī)械拋光作為半導(dǎo)體零件的重要加工方式，其拋光效果的好壞，直接影響半導(dǎo)體零件的工作性能及使用壽命，因此，化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的影響力不言而喻。在CMP中拋光墊具有貯存拋光液并把它運(yùn)送到工件的整個(gè)加工區(qū)域、維持拋光所需的機(jī)械和化學(xué)環(huán)境、傳遞材料去除所需的機(jī)械載荷等作用。拋光墊的力學(xué)性能如硬度、彈性模量等對拋光墊的變形產(chǎn)生重要影響[1-2]。拋光墊的表面組織特征如微孔形狀、孔隙率、溝槽形狀及分布等因素對拋光液在加工區(qū)域的流動及其分布等產(chǎn)生重要影響，從而影響拋光的質(zhì)量和效率。

1 化學(xué)機(jī)械研磨拋光墊關(guān)鍵技術(shù)解析

拋光墊根據(jù)其軟硬程度和表面絨毛結(jié)構(gòu)可分為含絨毛少的硬質(zhì)拋光墊和含毛絨較多的軟質(zhì)拋光墊。一般粗拋過程為提高拋光效率用硬質(zhì)的拋光墊；精拋過程由于要求的材料去除量少，表面質(zhì)量要求高，多用軟質(zhì)拋光墊[3]。拋光金屬時(shí)采用多孔滲水性的拋光墊；拋光氧化物時(shí)采用較硬的拋光墊。

化學(xué)機(jī)械拋光的拋光墊根據(jù)材料表面微觀結(jié)構(gòu)可大致分為四類：①由聚酯纖維制成，例如專利（CN104625945A）中涉及的一種采用聚酯纖維制成的拋光墊；②由多孔性合成革組成，例如清華大學(xué)申請的專利（CN102601727A）中涉及一種以人造革為基墊材料的化學(xué)機(jī)械拋光墊；③由多孔聚氨酯組成，例如美國羅門哈斯電子材料CMP控股股份有限公司申請的專利（US20080253385A）介紹了一種以多孔聚氨酯為材料的多層化學(xué)機(jī)械拋光墊；④由無孔聚氨酯組成，如日本株式會社SKC申請的專利（JP2009501648A）涉及一種具有互穿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、無孔無氣泡的聚氨酯拋光墊。

拋光墊的物理機(jī)械性能很大程度上決定了其拋光質(zhì)量和效率。對于不同硬度的拋光墊，硬度越高，拋光效果越好，能夠達(dá)到要求的平整度，但拋光過程中可能引起晶片表面劃傷，特別是當(dāng)拋光壓力較大時(shí)，易造成嚴(yán)重的表面損傷。彈性模量和剪切模量對拋光墊的工作性能也會產(chǎn)生重要影響。彈性模量高則拋光墊對所加載荷的承受能力強(qiáng)，剪切模量高則有利于拋光墊抵抗旋轉(zhuǎn)力。

2 拋光墊技術(shù)發(fā)展趨勢分析

化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的提出始于1965年，隨著該技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，以及對工件表面光潔度要求不斷提高，拋光墊作為化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的關(guān)鍵部件，也已受到業(yè)內(nèi)人士的普遍關(guān)注，圖1為拋光墊相關(guān)專利在世界范圍的申請量分布情況。

圖1 拋光墊技術(shù)各國專利申請量分布

根據(jù)圖1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析可知，對于拋光墊的技術(shù)改進(jìn)主要集中在美國、中國和日本，德國、韓國等國家的研發(fā)能力也在逐漸增強(qiáng)。

各國每年申請量變化趨勢如圖2。

圖2 各國專利申請量隨時(shí)間變化趨勢

由圖2可知，美國的拋光墊相關(guān)專利申請量在2006年達(dá)到頂峰，日本、德國、韓國均在2003-2006年左右專利申請達(dá)到最高峰，此后有漸漸回落的趨勢，中國的申請量自2003年開始呈穩(wěn)步增長態(tài)勢，表明我國在化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)力度逐漸增強(qiáng)。雖然中日韓在專利總量上與美國存在較大的差距，但近年來各國在該技術(shù)領(lǐng)域的差距正在不斷縮小。從圖中還反映出各國在近年來專利申請量均呈下降的趨勢，這也反映出經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)研究日趨成熟，該領(lǐng)域的技術(shù)研究將會向新的方向推進(jìn)。

2.1 化學(xué)機(jī)械拋光墊的多層化

隨著半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的逐漸發(fā)展，半導(dǎo)體器件正變得越來越復(fù)雜，具有較精細(xì)的特征以及較多的金屬化層。這種趨勢需要拋光耗材改善性能，以保持平整度并限制拋光缺陷，因此需要具有能與低缺陷制劑相關(guān)的物理性質(zhì)很好地相關(guān)聯(lián)的多層化學(xué)機(jī)械拋光墊層疊體，以增強(qiáng)其可修整性[4]。

基于此類技術(shù)需求，美國羅門哈斯電子材料CMP控股股份有限公司申請的專利（US2014357163A1）提供了一種具有柔軟且可修整的拋光層的多層化學(xué)機(jī)械拋光墊層疊體，能夠提供低缺陷拋光性能，并利于使用金剛石修整盤形成微織構(gòu)，對半導(dǎo)體晶片進(jìn)行拋光，并且不會對晶片表面造成破壞[5]。

2.2 化學(xué)機(jī)械拋光墊的窗口化

半導(dǎo)體器件的特征尺寸已逐漸向小型化方向發(fā)展，如果晶片表面出現(xiàn)過大的起伏，那么后續(xù)一系列的工藝對線寬的控制將會變得越來越困難。因此，在半導(dǎo)體工藝流程中，需要對化學(xué)機(jī)械平坦化過程進(jìn)行監(jiān)控。

為了實(shí)現(xiàn)化學(xué)機(jī)械拋光過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測，上海中芯國際集成電路制造（上海）有限公司申請了一項(xiàng)發(fā)明（CN103978421A）涉及化學(xué)機(jī)械拋光終點(diǎn)偵測裝置及方法，該裝置可通過在拋光平臺中安裝一紅外探測器，通過具有窗口的拋光墊來探測拋光時(shí)晶圓表面的溫度變化。

3 結(jié)語

目前，CMP拋光墊的研究方向有很多，在對于拋光墊材料、物理機(jī)械性能、外形結(jié)構(gòu)的技術(shù)改進(jìn)日趨成熟的基礎(chǔ)上，該領(lǐng)域的技術(shù)改進(jìn)正朝著多功能、集成化方向發(fā)展。

[1]許雪峰，馬冰迅，黃亦申.彭偉利用復(fù)合磨粒拋光液的硅片化學(xué)機(jī)械拋光[J].光學(xué)精密工程，2009，17（7）：1587-1593.

[2]熊偉.化學(xué)機(jī)械拋光中拋光墊的作用研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2006.

[3]余劍峰.新型化學(xué)機(jī)械拋光墊和拋光液的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

[4]T.Du,V.Desai.Chemical mechanical planarization of copper∶pH effect[J].Journal of Materials Science Letters,2003（22）∶24-26.

[5]L.Borucki.Mathematical modeling of polish-rate decay in chemical-mechanical polishing[J].Journal of Engineering Mathematics,2002（2）∶41-46.